темна речовина
темна речовина
Прихована маса (в космології і астрофізиці також темна матерія англ. Dark matter, темна речовина) - загальна назва сукупності астрономічних об'єктів, недоступних прямим спостереженнями сучасними засобами астрономії (тобто не випускають електромагнітного або нейтринного випромінювання достатньої для спостережень інтенсивності), але спостерігаються побічно по гравітаційними ефектами, що надаються на видимі об'єкти; невидима субстанція, яка складає 90% маси Всесвіту.
Загальна проблема прихованої маси складається з двох проблем:
* Астрофізичної, тобто протиріччя спостерігається маси гравітаційно зв'язаних об'єктів і їх систем, таких, як галактики і їх скупчення, з їх спостерігаються параметрами, обумовленими гравітаційними ефектами; вважається, що саме темна матерія (прихована маса) склеює зірки в галактики.
* Космологічної - протиріччя спостерігаються космологічних параметрів отриманої по астрофізичним даними середньої щільності Всесвіту.
Маса скупчень галактик: проблема Цвикки
З розвитком рентгенівської астрономії в скупченнях галактик було виявлено рентгенівське випромінювання гарячого (розігрітого до температур порядку 106 K) газу, що заповнює межгалактическую середу, - тобто було виявлено частину прихованої маси таких скупчень. Однак підсумовування спостережуваних мас такого газу з спостерігаються масами галактик скупчення не дало маси, достатньої ні для утримання галактик, ні для утримання газу в скупченнях.
Гравітаційне лінзування фону галактиками і їх скупченнями
Одним з непрямих методів оцінки маси галактик є гравітаційне лінзування ними фонових (розташованих на лінії спостереження за ними) об'єктів. В даному випадку ефект гравітаційного лінзування може проявлятися у вигляді спотворення зображення фонового об'єкта, або появі його багаторазових уявних зображень. Рішення оберненої задачі, тобто розрахунок гравітаційного поля, необхідного для отримання таких зображень, дозволяє оцінити масу гравітаційної лінзи - скупчення галактик. І в цьому випадку розрахункові значення значно перевершують що спостерігаються.
Природа і склад прихованої маси
Крім прямих спостережень гравітаційних ефектів прихованої маси існує ряд об'єктів, пряме спостереження яких утруднено, але які можуть робити внесок до складу прихованої маси. В даний час розглядаються об'єкти баріонів і небаріонної природи: якщо до перших відносяться досить добре відомі астрономічні об'єкти, то в якості кандидатів у другі розглядаються нейтрино, стрейнджлет і гіпотетичні елементарні частинки, які випливають з класичної квантової хромодинаміки (Аксион) і суперсиметричних розширень квантових теорій поля.
На роль "атомів" темної матерії висуваються вімпси. За припущеннями вчених (Інститут Нільса Бора) темна матерія може групуватися в кулі діаметром 20 см і масою 100 000 000 тонн.
Масивні об'єкти гало галактик
Для пояснення відхилення швидкостей обертань галактичних об'єктів від кеплерівських слід припустити наявність масивного темного гало галактик. До масивним об'єктів гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO) відносяться слабоізлучающіе компактні об'єкти, в першу чергу маломасивні зірки - коричневі карлики, субзвёзди або дуже масивні юпітероподобние планети, маса яких недостатня для ініціювання термоядерних реакцій в їхніх надрах, остиглі білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.
Міжгалактичний газ: Лайман-альфа ліс
На відміну від згадуваного вище гарячого газу галактичних скупчень, що випромінює в рентгенівському діапазоні, спостереження спектрів квазарів свідчать про досить масивних міжгалактичних хмарах водню. В спектрах квазарів з досить високим червоним зміщенням спостерігається безліч зміщених ліній ( «ліс» ліній) поглинання Лайман-альфа водню, утворених безліччю хмар водню, розташованих на різній відстані по променю зору. Такий феномен отримав назву Лайман-альфа ліс (англ. Lyman-alpha forest).
Небаріонної темна матерія
За сучасними уявленнями, лише близько 4,4% маси Всесвіту становить звичайна баріонів матерія. Приблизно 23% доводиться на небаріонної темну матерію, що не бере участь в сильному і електромагнітній взаємодії. Вона спостерігається тільки в гравітаційних ефекти.
Залежно від швидкості частинок розрізняють гарячу і холодну темну матерію. Гаряча темна матерія складається з частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою, мабуть, з нейтрино.
Гарячої темної матерії недостатньо, за сучасними уявленнями, для формування галактик. Дослідження структури реліктового випромінювання показало, що існували дуже дрібні флуктуації щільності речовини. Швидко рухається гаряча темна матерія не могла б сформувати таку тонку структуру.
Холодна темна матерія повинна складатися з масивних повільно рухаються (і в цьому сенсі «холодних») частинок або згустків речовини. Експериментально такі частки не виявлено.
В якості кандидатів на роль холодної темної матерії виступають слабо взаємодіють масивні частинки (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такі як Аксион і суперсиметричні партнери-ферміони легких бозонів - Фотину, гравітіно і ін.
Вперше припущення про існування матерії, яка взаємодіє зі звичайною речовиною тільки через гравітацію, було висловлено на початку XX століття в зв'язку з аномальною прецесією перигелію Меркурія. Однак ця проблема була вирішена вже в 1916 році Альбертом Ейнштейном завдяки його Загальної теорії відносності, внёсшей в ньютоновскую теорію гравітації відповідну поправку на орбітальні руху, вичерпно пояснює спостережуване явище, що послужило і першим підтвердженням ОТО.
Прихована маса і космологічні параметри: проблема темної енергії
Однією з основних проблем космології є питання про середню кривизну простору і темпі розширення Всесвіту. Якщо кривизна простору нульова або негативна, то розширення Всесвіту відбувається необмежено (плоска і відкрита моделі Всесвіту); якщо кривизна позитивна, то розширення Всесвіту має змінитися стисненням (закрита модель Всесвіту). У свою чергу, в рамках загальної теорії відносності (ЗТВ), середня кривизна простору Всесвіту залежить від її середньої щільності, нульовий кривизни відповідає критична щільність Ωcrit
10-29 г / см³, що еквівалентно приблизно 5 атомам водню на м³. Однак, незважаючи на те, що спостережуване значення середньої щільності матерії, що світиться Ωvis становить близько 1% від критичної, дані спостережень свідчать про те, що кривизна Всесвіту близька до нуля, т. Е. Ω досить близько до Ωcrit
Склад Всесвіту за даними WMAP
Альтернативи темної матерії
Є деяка кількість спроб знайти альтернативні темної матерії пояснення кривих обертання галактик. Вони зводяться до зміни законів гравітаційної взаємодії на великих масштабах. Одна з найбільш обговорюваних альтернатив - теорія MOND (модифікована ньютонівська динаміка), спочатку запропонована ще в 1983 році Мордехаєм Мілгрома як феноменологічний пояснення кривих, але яка, як тепер видно, мала і передбачувану силу для ротаційних кривих LSB галактик. Ця теорія до недавнього часу не була релятивістської, спроби її релятівізіровать включають в себе тензорно-скалярно-векторну теорію гравітації (TeVeS) і модифікована гравітація Моффата (MOG). Джоел Бронштейн і Джон Моффат доклали MOG до проблеми ротаційних кривих галактик і показали її придатність для вибірки з більш ніж 100 LSB, HSB і карликових галактик. Кожна з представлених ротаційних кривих галактик підходила без необхідності в приховану масу, використовуючи тільки доступні фотометричні дані (зоряне речовина і видимий газ).
Слід, однак, відзначити, що MOND і її узагальнення є теоріями ad hoc, придуманими виключно для пояснення ротаційних кривих галактик, і вони стикаються з істотними труднощами при поширенні на інші системи. Так, наприклад, перспективи відповідності MOND космології раннього Всесвіту не ясні, а що передбачаються нею профілі щільності і температури гарячого газу в скупченнях галактик сильно розходяться з спостерігаються.